Modelowanie wymiany ciepła w termosyfonie w zastosowaniu do chłodzenia pieców do obróbki cieplnej

Rurki ciepła mogą posłużyć jako elementy chłodzące pieców do obróbki cieplnej metali, np. w procesach wyżarzania i odpuszczania. Użycie rurek ciepła zapewnia niemal stałą temperaturę na ich powierzchni, gwarantującą równomierny rozkład temperatury w piecu. Umożliwia to sprawne „przeniesienie” strumienia ciepła na znaczne odległości, np. do instalacji odzysku ciepła odpadowego. Jednym z najprostszych konstrukcyjnie rodzajów rurki ciepła jest termosyfon, w którym zachodzi grawitacyjny spływ skroplin. Zaprojektowanie takiego układu wymaga obliczenia strumienia ciepła przenoszonego przez termosyfon oraz jego temperatury w różnych warunkach pracy. W pracy jest przedstawiony uproszczony model przepływu płynu z wymianą ciepła zaimplementowany w programie ANSYS FLUENT za pomocą funkcji użytkownika (UDF). Modelowana jest konwekcja na zewnątrz rurki, przewodzenie przez ściankę i przepływ pary (z pominięciem spływu cieczy) w środku termosyfonu. Przepływ pary jest Z założenia laminarny (małe strumienie masy), rozwiązywany różnymi algorytmami, takimi jak Solver sprzężony (Coupled) i Solvery segregowane (PISO, SIMPLE). Tak uproszczony model pozwala na wystarczająco dokładne obliczenie pola temperatury przy jednoczesnym krótkim (w porównaniu z modelem dwufazowym) czasem obliczeń. Wyniki symulacji porównane są z danymi eksperymentalnymi pochodzącymi z doświadczeń i dostępnej literatury.

---

Heat pipes can be used as cooling elements of metals heat treatment furnance, for example in processes of annealing and tempering. Use ofheat pipes ensures almost constant temperature of their surface guaranteeing uniform temperature distribution in the oven and allows efficient heat flux “transport” on considerable distances, for example to waste heat recuperation installation. Thermosyphon is one of the simplest construction type of heat pipe, with gravitational condensate return. Designing of such system requaires calculation of heat fiux throughput and thermosyphon temperature in various working conditions. In present paper simplified model of fluid flow with heat exchange is used, simulated by ANSYS FLUENT code with User Defined Functions (UDF). Processes included in numerical computation are: heat convection outside of the thermosyphon, conduction through the solid wall and vapor flow inside thermosyphon (liquid return considered negligible). There is an assumption of laminar vapor flow (low mass fiuxes), solved with different algorithms, like Coupled and Segregated Solvers (PISO, SIMPLE). The simplified model enables accurate numerical solution of temperature field in relatively short time (comparing to two-pase model). Obtained results are compared with experimental data from literature and own mesurements.